Deciphering the role of the mononuclear phagocyte system in post-transplant airway fibrosis

Bronchiolitis obliterans syndrome (BOS), a form of chronic lung allograft dysfunction, represents a major cause of mortality after lung transplantation. This disease is associated with a progressive fibro-obliteration of small airways (known as obliterative bronchiolitis) which leads to respiratory impairment and graft failure. The mechanisms behind airway occlusion remain unclear, and no curative treatment is available at the moment. Myofibroblasts are considered central effectors in this fibrotic process, but their origin is controversial. They can arise either from donor cells (resident fibroblasts and epithelial cells) or recipient cells (bone marrow-derived cells).The purpose of this project was to identify the precursors of mesenchymal cells responsible for post-transplant airway fibro-obliteration. Lineage-tracing tools were used to track or deplete potential sources of myofibroblasts in the heterotopic tracheal transplantation model, which produces a surrogate of obliterans bronchiolitis. Confocal analysis showed that myofibroblasts in the allografts were mostly recipient-derived, even though immunosuppression with tacrolimus induced a mild increase of donor-derived myofibroblasts. Occasional epithelial-to-mesenchymal transition was detected, but only in tacrolimus-treated recipients. On the other hand, fate-mapping techniques demonstrated that myeloid cells gave rise to the majority of mesenchymal cells in occluded airways. Accordingly, specific ablation of Cx3cR1+ mononuclear phagocytes significantly decreased allografts fibrosis. In parallel, single-cell RNA-sequencing unveiled surprising similarities between myeloid-derived cells (i.e. fibrocytes and macrophages) from the allografts and both murine and human samples of pulmonary fibrosis. Finally, analysis of BOS lesions from transplanted patients allowed us to translate our results to a clinical level. Indeed, confocal microscopy revealed that myofibroblasts expressing the macrophage marker CD68 were increased in BOS explants when compared to controls, and their numbers seemed correlated with the intensity of fibrosis.Collectively, these findings indicate that recipient mononuclear phagocyte system constitutes a clinically relevant source of mesenchymal cells infiltrating the airways after allogeneic transplantation. Therefore, therapies targeting migration and differentiation of mononuclear phagocytes and fibrocytes could prevent fibrotic remodelling of small airways and improve long-term outcomes after lung transplantation.La bronchiolite oblitérante (bronchiolitis obliterans syndrome, BOS), une forme de dysfonction chronique du greffon, représente une des majeures causes de mortalité après transplantation pulmonaire. Cette pathologie est associée à une oblitération progressive et irréversible des petites voies aériennes par de la fibrose, qui mène à une perte de fonction respiratoire jusqu’à la défaillance du greffon. Les mécanismes impliqués dans la fibroproliferation ne sont pas encore bien compris, et il n’existe pas de traitement efficace de la BOS à l’heure actuelle. Les myofibroblastes joueraient un rôle majeur dans le développement de la fibrose, mais leur origine reste controversée. Ils pourraient dériver des cellules du donneur (fibroblastes in situ ou cellules épithéliales) ou bien du receveur (à partir de la moelle osseuse). L’objectif de cette étude était d’identifier les précurseurs des cellules mésenchymateuses responsables de l’obstruction des voies aériennes après transplantation allogénique. Nous avons utilisé des techniques de lineage tracing pour identifier les sources potentielles de myofibroblastes dans un modèle de transplantation hétérotopique de trachée, lequel permet d’obtenir une maladie fibro-oblitérante du greffon qui simule histologiquement la bronchiolite oblitérante. Les analyses par microscopie confocale ont montré que les cellules du receveur constituent la source principale de myofibroblastes dans les allogreffons, malgré une faible augmentation de la proportion de cellules mésenchymateuses dérivées du donneur lors du traitement immunosuppresseur. En plus, une minime fraction de myofibroblastes d’origine épithéliales a également été détectée, mais seulement dans les greffons traités par tacrolimus. D’autre part, nous avons établi que la lignée myéloïde produit la plupart des cellules mésenchymateuses détectés dans les voies aériennes oblitérées. Par ailleurs, la délétion spécifique de phagocytes mononucléaires Cx3cR1+ était associée avec une diminution significative du nombre de myofibroblastes et de la fibrose endoluminale dans les allogreffons. En parallèle, l’utilisation des techniques de séquençage en single cell a permis de révéler des ressemblances inattendues entre des populations de cellules d’origine myéloïdes (macrophages et fibrocytes) retrouvés dans les greffons et celles impliqués dans le développement de la fibrose pulmonaire chez l’homme et la souris. In fine, l’analyse par microscopie confocale des lésions pulmonaires de patients atteints de BOS nous a permis de transposer en clinique nos résultats expérimentaux. En effet, nous avons observé que la fraction de myofibroblastes positifs pour le CD68, un marqueur typiquement exprimé par les macrophages, était significativement augmentée dans les greffons avec bronchiolite oblitérante par rapport aux contrôles. De plus, leur nombre était corrélé avec la sévérité de la fibrose. L’ensemble de ces résultats indique que le système phagocytaire mononuclée constitue une source significative de cellules mésenchymateuses et contribue à la fibro-oblitération des voies aériennes après transplantation. L’utilisation de thérapies ciblant la migration et la différenciation des phagocytes mononuclées et des fibrocytes pourrait bloquer la destruction du greffon pulmonaire et améliorer la survie à long terme des patients transplantés.Doctorat en Sciences médicales (Médecine)